JP6532813B2 - 異径筒状体の冷間鍛造による製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスの酸素濃度を測定するガスセンサの主要構成部品である主体金具、或いはスパークプラグの主要構成部品である主体金具のように、異径筒状をなす部品であり、その部品（完成品）の機械加工前の素材、すなわち、その部品として切削加工やネジ切り加工等がなされて完成品となる前の素材であるところの異径筒状体の冷間鍛造による製造方法に関する。

図４は、自動車等に使用されるガスセンサ（例えば、酸素センサ。以下、単にセンサともいう）１の断面図（例えば、特許文献１の図５のセンサと同構造）である。このセンサ１は、異径筒状をなす主体金具（金具本体）１０と、その内側において先端（図示下端）が閉じられた筒状をなす検出素子（センサ素子）３１、そして、その素子３１の内側やセンサ内の端子金具７１，９１等を保護するために被せられた保護筒４１等から構成されている。このうち、主体金具１０は、先端から後方に向けて、同心で異径の円筒部１１、多角形部１５、さらに異径の円筒部１７を備えた異径筒状構造をなしている。そして、その内周面は、先端から後方に向けて段部を介して大径をなすように形成されており、先端寄りの小径穴部２１の内周面２２と、これに続く後方の大径穴部２５の内周面２６との境界には、若干、先すぼまりテーパをなす後方向き環状棚面（環状の棚）２４が設けられている。素子３１は、その先後の中間部位の外周面に設けられた外フランジ３３を、この後方向き環状棚面２４にパッキン５１やホルダ５２を介して支持されて主体金具１０内に固定されている。なお、この素子３１の固定は、外フランジ３３の後方において、シール材５３及びホルダ５４等が配置され、主体金具１０の後方の円筒部（筒状部ともいう）１７の後端側の薄肉円筒部１９を中心線側に曲げ、かつ、先方に圧縮、変形させるカシメ加工によっている。このようなセンサ１は、自動車等の排気管に、主体金具１０の先端側の円筒部（筒状部ともいう）１１の外周面に設けられたネジ１３を介し、多角形部１５を回してねじ込んで取付けられ、素子３１の内外の酸素濃度差に基づいてその内外の電極間に起電力を生じさせ、これに基づく信号を制御回路に出力し、排気ガス中の酸素濃度を検知して空燃比制御するのに使用される。なお、本願において、主体金具１０に関して先端というときは、図４におけるその下端をいい、後端というときはその逆の端を言う。

図５は、上記のセンサ１を構成する主体金具（部品完成品）１０として、機械加工される前の素材（切削やネジ切り加工前の素材）である冷間鍛造による異径筒状体１０ｅの形状、構造を示している。なお、この異径筒状体１０ｅ、及び後述するその成形に至るまでの各成形段階の成形体における各部については、主体金具（部品完成品）１０又はこの異径筒状体１０ｅに対応する部位（実質的に同じ部位を含む）には、適宜、それらと同じ符号を付して説明する。この異径筒状体１０ｅは、相対的に外径が大きい多角形部（フランジ）１５と、これを先後において挟む筒状部１１ｅ、１７ｅを先後に有している。ただし、図５の異径筒状体１０ｅについては、その先端側の筒状部１１ｅは、その先端寄り部位が、それに続く後方寄り部位より外径が小さい小径筒部（小径部）１２ｅをなしている。このような異径筒状体（素材）１０ｅは、その内周面２２ｅ，２６ｅも含め、上記完成品に近い形状、寸法に冷間鍛造品にて成形される。これにより、先端から後方に、内径が小径の小径穴部２１ｅと、内径が相対的に大径の大径穴部２５ｅとを同軸で、しかも、その両穴部の先後の境界には、上記したように検出素子３１を支持するため、先すぼまりテーパの後方向き環状棚面２４ｅが設けられている。なお、図５の異径筒状体１０ｅは、丸棒を短く切断した通常、円柱体からなる出発材料（例えば、ＳＵＳ４３０）から、すえ込み、穴あけ、押し出し、又はこれらの複合変形による複数回の成形工程を経て、徐々に変形を大きくし、最後に小径穴部２１ｅとなるべき部位を打ち抜くことで製造されている（特許文献２の図２の（Ｇ）参照）。

また、自動車エンジンの点火に用いられるスパークプラグは、図示はしないが周知のように、エンジンへの取付用（ねじ込み用）のネジを外周面に備えた異径円筒状の主体金具（金具本体）と、この主体金具に内挿される形で保持され、先端において突出する中心電極を内部に含む筒状の絶縁碍子、そして、中心電極の先端とで火花ギャップを形成するために主体金具の先端に溶接された接地電極等から構成されている。このようなスパークプラグ用の主体金具（完成品）となる前の切削加工等される前の素材の基本形状、構造も、上記センサのそれと同様ないし類似であり、したがって、その素材も上記したのと同様の工程で製造されている。

そして、このような異径筒状体１０ｅは、例えば、次のような成形過程を経ることでも鍛造される（図６参照）。図６−Ａ，Ｂに示したように、出発材料から、軸方向の圧縮によるすえ込み、押し出し等の２段階の成形工程（第１工程、第２工程）を経て第１工程成形体１０ａ，第２工程成形体１０ｂを得る。その後、第３工程で、パンチの打ち込みによる穴あけ、すえ込みによりその後端面に大径穴部２５ｅの予備穴（凹部）２５ｃと多角形部１５を成形して第３工程成形体１０ｃを得る（図６−Ｃ参照）。その後、この成形体１０ｃに対し、第４工程で、該予備穴２５ｃにパンチを押し込み、先端部を押し出し、深穴あけ加工において後方押し出しすると同時に大径穴部２５ｄを成形して第４工程成形体１０ｄを得る（図６−Ｄ参照）。そして、第５工程で、この成形体における大径穴部２５ｄの底面２７ｄを打ち抜いて、小径穴部２１ｅを成形して異径筒状体（第５工程成形体）１０ｅとする（図６−Ｅ参照）。

このような異径筒状体１０ｅから製造される主体金具１０のうち、検出素子３１を支持するための後方向き環状棚面２４は、実質的に前記した第４工程において、第３工程成形体（図６−Ｃ参照）１０ｃの予備穴２５ｃを深穴あけ加工する（大径穴部２５ｄの成形をする）ことによって成形される。具体的にはその第４工程においては、図７の左図（Ａ）に示したように、第３工程成形体１０ｃを、その多角形部１５を含む先方部位を受け入れ可能であり、第４工程成形体１０ｄの先方部位の形状部位１０５ｄに形成されたキャビティを有するダイス（金型）１００ｄに、先端側から装填し、深穴あけパンチ１２０ｄを、図７−右図（Ｂ）に示したように押し込み、その押し込みにより大径穴部（有底穴）２５ｄを仕上げる第４工程成形体１０ｄの成形過程で成形される。というのは、この深穴あけパンチ１２０ｄの先端面（図示下端面）は、図７に示したように、その外周寄り部位に、異径筒状体１０ｅにおける後方向き環状棚面２４ｅを成形するように中央に向けて傾斜する環状面（傾斜面）１２４ｄを備えている。一方、その後の打ち抜き工程（第５工程）では、図８の左図（Ａ）に示したように、第４工程成形体１０ｄを打ち抜き用のダイス１００ｅに装填し、その後、図８の右図（Ｂ）に示したように、打ち抜きパンチ１２０ｅにより、大径穴部２５ｄの底面２７ｄの内側の部位（底面）打ち抜き、その際に、その周縁寄りの傾斜する環状面（傾斜面）２４ｄの部位を残存させ、その残存している環状面が異径筒状体１０ｅにおける環状棚面２４ｅをなし、この面が主体金具１０における環状棚面２４をなすためである。

一方、打ち抜き前の深穴あけ（第４工程。図７）に用いられるパンチ１２０ｄの先端面のうち、後方向き環状棚面２４の形成用の外周縁寄り部位（環状傾斜面）１２４ｄよりも内側（中心）は、環状傾斜面１２４ｄを介して相対的に、微量（０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ）であるが、所定の外径Ｄ１で先方に突出し、僅かに先尖り状のテーパ面を有するダボ（突起）１２５ｄを同軸で備えている（図７参照）。ところで、このように深穴あけパンチ１２０ｄの先端面にダボ１２５ｄを設ける第一の理由は、その穴あけ（第４工程）の初期、すなわち、そのパンチ１２０ｄの先端が予備穴２５ｃの底面２７ｃに押し付けられる時において、一気にその底面２７ｃに大荷重（圧縮力）がかかるのを防ぐことで、第４工程成形体（素材）１０ｃのダイス１００ｄ内における位置決めないし安定を確保し、深穴あけ加工における大径穴部２５ｄが偏心や傾斜するのを防ぐためである。すなわち、ダボ１２５ｄを設けておくことで、大径穴部２５ｄの穴あけ過程の初期（ダボ１２５ｄの先端面が予備穴２５ｃの底面２７ｃに押し付けられ、その押し込まれが終了するまで）においては、そのパンチ１２０ｄの先端面による全面当たりにならないため、この初期段階では素材に作用する荷重を比較的小さくできるため、偏心等のない成形が得られる。とくに、第４工程成形体１０ｄのようなもののように、予備穴２５ｃがあけられた第３工程成形体１０ｃから、その先端部を縮径状に先方に押し出し、そして、深穴あけを後方への押し出しと共に行わせるべき形状のものでは、精度維持のため、ダボ１２５ｄが予備穴２５ｃの底面２７ｃへ押し込まれた後で、第３工程成形体１０ｃにおける先端部の縮径による押し出しがされ、そして、深穴あけとともに後方への押し出しが進むようにする必要がある。

図７−右図（Ｂ）、図９に示されるように、このようなダボ１２５ｄを有する深穴あけパンチ１２０ｄの押し込み（第４工程）によって形成された第４工程成形体１０ｄにおける大径穴部２５ｄの底面（穴底面）２７ｄの中央寄り部位にはダボ１２５ｄ（突起）に対応した凹み２８ｄが形成される。一方、ダボ１２５ｄの外径、すなわち、ダボ１２５ｄによる凹みの内径Ｄ１は、従来、第５工程における打ち抜きパンチ１２０ｅの先端の外径、すなちわ、異径筒状体１０ｅにおける後方向き環状棚面２４における内径（小径穴部２１の内径）Ｄ２と略同一とされていた（特許文献２の段落００５７参照）。このようにしておくことで、その大径穴部２５ｄの底面２７ｄを打ち抜くときは、打ち抜きパンチ１２０ｅがダボ１２５ｄによる凹み２８ｄの内周面にガイドされ得るためである。しかも、このようにしておき、打ち抜きパンチ１２０ｅの先端面をその凹み２８ｄの底面よりも急先すぼまり（先細り）テーパとしておけば、その凹み２８ｄ内に残存している潤滑剤（油）を排出させることができ、仕上げ面（仕上肌）精度の低下防止も図られる。

特開２００７−２７８８０６号公報 特開２００２−０１１５４３号公報

ところで、第４工程において、上記したように、先端面にダボ１２５ｄがある深穴あけパンチ１２０ｄで大径穴部２５ｄをあけ、その後、第５工程において、その穴の底面２７ｄにおけるダボ１２５ｄによる凹み２８ｄの部位を打ち抜き、小径穴部２１ｅをあけた後の異径筒状体（完成品）１０ｅについては、図６−Ｅの拡大図中に示したように、その小径穴部２１ｅの内周面２２ｅのうち、後方向き環状棚面２４ｅ寄り部位に、微小ではあるが外方に向けて延びるようなクラック等の内部傷Ｋが発生することがある。このような、後方向き環状棚面２４ｅは、その後の外径等の切削やネジ加工を経て主体金具（完成品）となり、センサとして組立てられるときは、上記したように、検出素子等を支持する支持面をなすところであり、極めて重要な役割を担う部位である。

本願発明者らは、前記内部傷Ｋの発生原因について各種の試験等を行い調査、検討を重ねた結果、その発生原因は次のようであることが知られた。第４工程において使用する、深穴あけパンチ１２０ｄ（図７参照）の先端面において突出するダボ１２５ｄの外周面１２７ｄと、ダボ１２５ｄの外側におけるパンチ１２０ｄの先端面（環状傾斜面）１２４ｄとの交差部は、周方向に沿って、「すみ角」となる（図７中の拡大図参照）。ダボ１２５ｄの突出量は、０．２〜０．５ｍｍと微小であるが、ミクロ的に見た場合には、その交差部に「すみ角」が存在することになる。このため、深穴あけパンチ１２０ｄの先端面で、予備穴２５ｃの底面２７ｃを押し付けて深穴をあける場合には、その「すみ角」において金属材料の流れは悪い。結果、深穴あけ後の深穴（大径穴部２５ｄ）の底面２７ｄにおけるダボ１２５ｄによる凹み（穴）２８ｄの内周面２９ｄと、その凹み２８ｄの外側の後方向き環状棚面２４となるべき面（環状面）２４ｄとの交差部である、「すみ角」に対応する部位には周方向に沿って凸となす角（コーナ）が付き、この角（コーナ）は、とくに、冷間鍛造ではデッドメタルとなり易い。事実、このような深穴あけ後の成形体（第４工程成形体１０ｄ）の段階において、軸線を通る平面で切断した縦断面で見ると、図９に示したように、ダボ１２５ｄによる凹み２８ｄの内周面２９ｄには、環状面２４ｄの下において、その凹み２８ｄの底面（又はその近傍）から該環状面２４ｄに沿うように外方に向けて延びるクラックやしわ等の内部傷（デッドメタルによる内部傷）Ｋがみられる。

すなわち、第５工程成形体（異径筒状体１０ｅ）は、図９に示したように、このような第４工程成形体１０ｄの大径穴部２５ｄの底面２７ｄにおける、ダボ１２５ｄによる凹み２８ｄの部位を、凹み２８ｄの内径Ｄ１に略一致する外径Ｄ２を有する打ち抜きパンチ１２０ｅで打ち抜き、小径穴部２１ｅを成形するのであるから、その小径穴部２１ｅの内周面２２ｅのうち、後方向き環状棚面２４ｅ寄り部位には、上記したようなクラック等のデッドメタルによる内部傷Ｋがそのまま残存させられる形で発生する。なお、スパークプラグ用主体金具用の異径筒状体も、センサ用主体金具におけるそれと同様の「後方向き環状棚面」を有する形状、構造を呈しており、同様に製造されているから、前記課題と同様の課題がある。そして、この棚面は、中心電極を包囲する碍子を支持する支持面をなすところであり、重要な役割を担う部位である。

本発明は、ガスセンサやスパークプラグの部品であり、内周面に素子や碍子を支持するための後方向き環状棚面を有する主体金具用の異径筒状体を冷間鍛造で成形する際における如上の課題に鑑みてなされたもので、その異径筒状体の製造において、その後方向き環状棚面内にクラック等の内部傷を発生させないようにすることをその目的とする。

請求項１に記載の本発明は、先端から後方に、内径が小径の小径穴部と、内径が相対的に大径の大径穴部とを同軸で有し、しかも、その両穴部の先後の境界に、先すぼまり状をなす後方向き環状棚面を有して軸線方向に貫通する構造を有する異径筒状体の冷間鍛造による製造方法であって、
柱状の出発材料から、１又は複数の成形工程を経て、後端面に前記大径穴部の予備穴を成形し、
その後、該予備穴を深穴あけパンチの押し込みにより深穴あけ加工することで前記大径穴部を成形するのに、
パンチ自身の先端面の外周寄り部位に、前記異径筒状体における前記後方向き環状棚面を成形するように中央に向けて傾斜する環状傾斜面を備えると共に、該環状傾斜面を介し、該先端面の中心には所定の外径で先方に突出するダボを同軸で備えた深穴あけパンチを用いることにより、自身の底面に、前記後方向き環状棚面をなすべき環状面と、該環状面の内側に前記ダボによる凹みとを有する大径穴部を成形し、
その後、打ち抜きパンチの打ち込みにより、該大径穴部の底面を、前記後方向き環状棚面を残存させるように打ち抜くことによって、該後方向き環状棚面と前記小径穴部とを成形する工程を含む、異径筒状体の冷間鍛造による製造方法において、
前記深穴あけパンチにおける前記ダボの外径Ｄ１を、前記小径穴部の内径Ｄ２より小さくしておくことを特徴とする。

請求項２に記載の本発明は、前記打ち抜きパンチの打ち込みにおいて、該打ち抜きパンチの外周面を、前記深穴あけパンチによって深穴あけされた前記大径穴部の内周面にてガイドさせることを特徴とする請求項１に記載の異径筒状体の冷間鍛造による製造方法である。
請求項３に記載の本発明は、前記打ち抜きパンチにおける先端面が前記ダボによる凹みを閉塞しないように、該打ち抜きパンチにおける先端面と後方部位とが連通する連通穴が、該打ち抜きパンチ内に設けられていることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の異径筒状体の冷間鍛造による製造方法である。

本発明における製造方法においても、深穴あけには、先端面にダボが突出する深穴あけパンチを用いるから、そのダボの外周面と、その外側におけるパンチの先端面との交差部は周方向に沿って「すみ角」となる。このようなパンチで深穴あけ加工をして大径穴部を成形した場合には、その穴の底面の中心寄り部位にはダボによる凹みが形成される。よって、その段階におけるその凹みの内周面と、その凹みの外側であり、小径穴部の打ち抜き後に、後方向き環状棚面となるべき面との交差部には、周方向に沿って凸となす角（コーナ）が形成される。そして、このような角（コーナ）がデッドメタルとなり易いのは、従来の製法におけるのと同様である。このため、そのダボによる凹みの内周面のうち、環状棚面となるべき面の下には、その凹みの底面（又は底面寄り部位）から外方に向けて延びるクラック、しわ等のデッドメタルによる内部傷の存在がみられることがあるのも従来と同様である。

しかし、本発明では、前記深穴あけパンチにおける前記ダボの外径Ｄ１を、打ち抜きによって成形する前記小径穴部の内径Ｄ２より小さくしておくこと（Ｄ２＞Ｄ１）としている。すなわち、本発明では、ダボの外径（ダボによる凹みの内径）Ｄ１が、その後の前記大径穴部の底面の打ち抜き径（小径穴部の内径Ｄ２）より小さい。このため、打ち抜き後に、後方向き環状棚面となるべき面よりも内周寄りの部位であって、ダボによる凹みの外方にある部位、すなわち、小径穴部の内径Ｄ２とダボの外径Ｄ１との間の部位も、この打ち抜きにおいて打ち抜かれる。これにより、ダボによる凹みの内周面において、外方に延びて発生しているクラック等の内部傷のうち、小径穴部の内径Ｄ２とダボの外径Ｄ１との間の部位（領域）にあるものは、その打ち抜きにおいて、打ち抜き屑として除去される。結果、本発明によれば、その打ち抜き後の異径筒状体におけるその後方向き環状棚面内の内部傷の発生を低減できる。

なお、ダボによる凹みの内周面から半径方向外方へ延びる内部傷の深さ、すなわち、環状棚面となるべき面内の内部傷の発生領域は、異径筒状体の寸法、深穴あけパンチにおけるダボの突出量や、鍛造対象の金属材料の流動性等によって異なる。一方、 ダボによる凹みの内周面から、内部傷が半径外方に延びる領域は、試験成形品を切断等することで把握できる。そして、前記小径穴部の内径Ｄ２は異径筒状体のサイズごと所定の径に設定される。よって、小径穴部の打ち抜き時に、その内部傷を含んで打ち抜き屑として打ち抜き除去（同時打ち抜き）ができるように、その把握に基づき、前記ダボの外径（寸法）Ｄ１をどれだけにするかを設定すればよい。なお、本発明の製造対象である異径筒状体は、センサ用主体金具の機械加工前の素材に限られず、スパークプラグ用主体金具の機械加工前の素材にも適用できる。

本発明においては、打ち抜きにおけるパンチが、ダボによる凹みにてガイドされないため、請求項２に記載のように、そのパンチの外周面が、大径穴部の内周面にガイドされるようにしておくとよい。また、本発明においては、打ち抜きパンチの外径Ｄ２が、ダボによる凹みの内径Ｄ１より大きくなるが、請求項３に記載のようにしておくことで、そのパンチの先端面がその凹みを閉塞することを防止できる。これにより、凹み内に残存する潤滑剤を連通穴を介して後方に排出させることができるので、潤滑剤の閉じ込めによる成形面の肌荒れ防止が図られる。

本発明の製造方法を具体化した実施形態例を説明する図であって、予備穴形成後の中間成形体である第３工程成形体（図６−Ｃ）における予備穴を、深穴あけ加工する（大径穴部を成形する）工程（第４工程）のダイス等を含む工程説明用断面図。 図１において深穴あけ加工（大径穴部を成形）した後の第４工程成形体において、その後方向き環状棚面内に発生する傷（クラック）の位置を説明する図１中のＰ２部の拡大図。 図１の深穴あけ（大径穴部の成形）後の第４工程成形体を、打ち抜く（小径穴部を成形する）工程（第４工程）のダイス等を含む工程説明用断面図。 従来のガスセンサの一例を説明する概略構成断面図。 図４のガスセンサに用いられている主体金具（部品完成品）の機械加工前の材料（素材）であって、冷間鍛造により成形された成形体（異径筒状体）の断面図。 図５の成形体（異径筒状体）が冷間鍛造で成形される工程の１例を示したもので、各工程で成形された成形体を説明する半断面図。 図５の成形体（図６−Ｅ）を成形する従来の工程のうち、予備穴形成後の中間成形体である第３工程成形体（図６−Ｃ）における予備穴を、深穴あけ加工する（大径穴部を成形する）工程（第４工程）のダイス等を含む工程説明用断面図。 図５の成形体（図６−Ｅ）を成形する従来の工程のうち、深穴あけ（大径穴部の成形）後の第４工程成形体を、打ち抜く（小径穴部を成形する）工程（第４工程）のダイス等を含む工程説明用断面図。 図７において深穴あけ（大径穴部の成形）した後の第４工程成形体において、その後方向き環状棚面内に発生する傷を説明する図７中のＰ１部の拡大図。

以下、本発明による、異径筒状体の冷間鍛造による製造方法の実施の形態例について、図１〜図３を参照しながら詳細に説明する。ただし、本例で製造する異径筒状体は、図５（図６−Ｅ）に示したものと同一のものである。そして、その製造工程も図６に示した各成形体（Ａ〜Ｅ）を成形する工程と同じである。すなわち、柱状の出発材料から、図６−Ａ，Ｂに示したように、複数の成形工程を経て、後端面に大径穴部２５ｄの予備穴２５ｃが成形された図６−Ｃに示した第３工程成形体１０ｃを成形し、その後、これを第４工程において、該予備穴２５ｃを深穴あけパンチの押し込みにより深穴あけ加工することで大径穴部２５ｄを成形して第４工程成形体１０ｄとし、その後、これの大径穴部２５ｄの底面２７ｄを、第５工程において、打ち抜きパンチの打ち込みにより打ち抜くことによって小径穴部２１ｅを成形して異径筒状体１０ｅを得るものとする。このため、上記従来技術における製法とは基本的に同様であり、その相違点は、実質的に、第４工程（図７参照）において、予備穴２５ｃを深穴あけするのに用いる深穴あけパンチ１２０ｄの先端面において先方に突出するダボ１２５ｄの外径Ｄ１を、小径穴部２１ｅの内径Ｄ２より適量、小さくした点のみであるが、以下、図６に示した第３工程成形体１０ｃから第５工程成形体（異径筒状体完成品）が得られる過程について、第４、第５工程において使用するダイス、パンチ等も含め、さらに詳細に説明する。

まず、第４工程において加工される第３工程成形体１０ｃについて説明する（図６等参照）。この第３工程成形体１０ｃは、第２工程成形体１０ｂから、先端側の円柱部と、後端側の円筒部とを有し、この両部位の先後間における外周面に、主体金具１１において多角形部１５をなすべき部位が張り出し形成されたものである。後端側の円筒部は、異径筒状体（図５参照）１０ｅにおける後端側の筒状部１７ｅに相当する部位である。このような第３工程成形体１０ｃは、図６−Ｃに示したように、その後端面（中央）に凹部が設けられており、この凹部が大径穴部２５の予備穴２５ｃをなしている。ただし、この予備穴２５ｃは、先端側に対して後端側が若干大径をなす異径穴を呈しており、先端側（多角形部１５）に対応する部位が、その後、深穴あけ加工により大径穴部をなす内径と略同一径とされ、その後方の内径は後端側の筒状部１７ｅの内径に略一致するよう、先端側に対し一回り大きめとされている。なお、このような予備穴２５ｃの底面２７ｃは、本例では、多角形部１５の先後の中間に位置しており、その底面２７ｃは、微量、中心（中央）が低位をなす先すぼまりのテーパをなしている。

一方、このような第３工程成形体（図６−Ｃ）１０ｃから第４工程において深穴あけ加工された第４工程成形体（図６−Ｄ）１０ｄは、多角形部１５よりも先方の部位（円筒部）における先端部が縮径されて押し出されると共に、その深穴あけ加工により後方にも押し出されて大径穴部２５ｄとして形成され、多角形部１５と先端部（小径部）１２ｄとの間の部位（ネジ加工される筒部）１４ｄが、この小径部１２ｄよりも相対的に大径の異径円筒の筒状部をなすため伸長されている。そして、小径穴部として打ち抜き形成される前の大径穴部２５ｄにおける底面２７ｄは、ネジ加工される相対的に大径の部位の先端よりも、若干後方（図示上方）に位置する設定とされている。

図１に示したように、予備穴のあけられた第３工程成形体１０ｃから深穴あけ加工により第４工程成形体１０ｄを成形するのに用いられるダイス１００ｄは、第３工程成形体１０ｃを、その多角形部１５を含む先方部位が微小隙間で受け入れられ、かつ、第４工程成形体１０ｄの先方部位の形状１０５ｄに形成されたキャビティを有している。このキャビティは、異径円筒の筒状部１１ｅを成形可能に、先端側から小径の円形穴１０６ｄと、さらに、その後方に、これより大径で第３工程成形体１０ｃの先端部位の外周面を受け入れ可能であり、ネジ加工される筒状部１１ｅ形成用の円形穴１０７ｄを備えている。そして、この両円形穴に続く後方には、第３工程成形体１０ｃにおける多角形部１５を微小隙間で受け入れ可能の多角形穴を備えている。これらのダイス１００ｄにおける各穴（キャビティ）は、先方から後方に向けて拡径する同心の異径穴を呈している。なお、中間の円形穴１０７ｄは、深穴あけ加工に伴う材料の後方押し出し（伸長）を見込まれ、筒状部１１ｅのうち、ネジ加工されるべき筒部の先後長より短く設定されている。なお、円形穴１０６ｄ内のうち、ダイス１００ｄ内の下部には、第４工程成形体１０ｄの先端面の支持と、成形後の取り出しのためにノックピン（円柱体）１４０ｄが配置されている。

また、この第４工程に用いる深穴あけパンチ１２０ｄは、所定長、所定径の大径穴部２５ｄを穴あけにより成形し得ると共に、予備穴２５ｃに内挿できるように形成された軸部（円柱部）１３０ｄを備えている。そして、その深穴あけパンチ１２０ｄの先端面は、その外周寄り部位に、異径筒状体（図５、図６−Ｅ参照）１０ｅにおける後方向き環状棚面２４ｅを成形するように中央に向けて傾斜する環状傾斜面１２４ｄを備えている。そして、この環状傾斜面１２４ｄを介し、先端面の中心には所定の外径Ｄ１で円形をなし、先方に微量（０．２〜０．５ｍｍ）突出するダボ１２５ｄを同軸で備えている。ただし、このダボ１２５ｄの外周縁が、異径筒状体１０ｅにおける後方向き環状棚面２４ｅの内周縁端（小径穴部２１ｅの内周面）より、内側（中心側）に位置するように形成されている。すなわち、ダボ１２５ｄの外径Ｄ１が、従来は、その後、打ち抜いて形成する小径穴部２１ｅの内径Ｄ２と略同一であったのに対し、小径穴部２１ｅの内径Ｄ２より適量小さく設定されている。そして、環状傾斜面１２４ｄのテーパは、異径筒状体１０ｅにおける後方向き環状棚面２４ｅと同テーパであり、また、本例においては、ダボ１２５ｄもその先端面の中央がわずかに突出する先細りテーパとされている。

しかして、第４工程においては、第３工程成形体１０ｃをダイス１００ｄに装填し（図１の左図（Ａ））、図１の右図（Ｂ）に示したように、その予備穴（凹部）２５ｃに深穴あけパンチ１２０ｄを所定量、押し込むことにより、第４工程成形体１０ｄが得られる。ただし、この押し込みにおいては、その当初は深穴あけパンチ１２０ｄの先端面におけるダボ１２５ｄが予備穴２５ｃの底面２７ｃに押し付けられて、その底面２７ｃにダボ１２５ｄに対応した凹みが形成され、その押し込みに伴って第３工程成形体１０ｃの先端部位がダイス１００ｄの先方の円形穴１０６ｄ内において先方に押し出されると共に、深穴あけが進行して多角形部１５を含む後方部位が相対的に後方に押し出される。そして、深穴あけパンチ１２０ｄの所定ストローク（所定量）の押し込みの終了により、大径穴部の成形（深穴あけ）が終わり、図１の右図（Ｂ）に示した第４工程成形体１０ｄが得られる。このようにして得られた第４工程成形体１０ｄにおける大径穴部２５ｄの底面２７ｄには、深穴あけパンチ１２０ｄの先端面が転写されたものとなる。したがって、その底面２７ｄの中央には、ダボ１２５ｄによる凹み２８ｄが形成され、その外寄り部位には後方向き環状棚面２４をなすべき環状面２４ｄが形成され、凹み２８ｄの内周面２９ｄとの交差部が周方向に沿って凸となす角となる（図２参照）。この点、従来の工程におけるのと同じである。このため、このような凹み２８ｄの内周面２９ｄには、図２の拡大図中に示したように、その外側の環状面２４ｄの下において、その凹み２８ｄの底面（又はその近傍）から外方に向けて延びるクラック、しわ等のデッドメタルによる内部傷Ｋが発生することがある。この点も従来の工程におけるのと同様である。

しかし、上記したように、深穴あけパンチ１２０ｄにおけるダボ１２５ｄの外径Ｄ１は、次工程（第５工程）において打ち抜きパンチによって打ち抜き成形される小径穴部２１ｅの内径Ｄ２より小さくされている（図２参照）。このため、この第４工程成形体１０ｄを、その後、従来と同様に、図３の左図（Ａ）に示したように第５工程における打ち抜き用のダイス１００ｅに装填し、同右図（Ｂ）に示したように、小径穴部２１ｅの内径Ｄ２に相当する先端外径を有する打ち抜きパンチ１２０ｅを打ち込むことで、その底面２７ｄにおいて小径穴部２１ｅを打ち抜くことにより、ダボ１２５ｄによる凹み２８ｄの外方の部分であって、後方向き環状棚面２４になるべき面よりも内周寄りに位置する環状面２４ｄの部分（小径穴部２１ｅの内径Ｄ２とダボ１２５ｄの外径Ｄ１との間の部位）は、この打ち抜きにおいて打ち抜き屑Ｕとして打ち抜かれ、除去される。すなわち、図２の拡大図中に示したように、凹み２８ｄの外方の部分であって、径Ｄ２よりも内側に存していたクラック等の内部傷Ｋは、小径穴部２１ｅの成形（打ち抜き）において、打ち抜き屑Ｕと共に除去される。これにより、その打ち抜き後の異径筒状体１０ｅにおけるその後方向き環状棚面２４ｅ内の内部傷の発生を、Ｄ１とＤ２とが略同一とされていた従来の製造方法に比べると確実に低減できる。

なお、第５工程に用いるダイス１００ｅは、実質的に第４工程におけるものと同構造のものであり、第４工程成形体１０ｄが、略隙間なく装填され得るキャビティを有している。ただし、先端の支持（ノックピン）１５０ｅは、打ち抜きパンチ１２０ｅに干渉しないパイプ構造をなしている。また、打ち抜きパンチ１２０ｅは、先端寄り部位の打ち抜き径の軸部（円柱部）に対し、その後方寄り部位の軸部１２５ｅが太くされ、打ち抜き過程で、大径穴部２５ｄの内周面にてガイドされる設定（外径）とされている。そして、そのパンチ１２０ｅには、その先端面と、そのパンチの後方側面において開口（図示せず）を有し連通する潤滑油抜きの穴Ｈが設けられている。

上記例において、深穴あけパンチ１２０ｄにおけるダボ１２５ｄの外径（寸法）Ｄ１をどれだけにするかは、ダボ１２５ｄによる凹み２８ｄの内周面から半径方向外方へ延びる内部傷Ｋの深さ、すなわち、環状棚面２４となるべき面内の内部傷の発生領域が、異径筒状体１０ｅの寸法、形状、構造等に応じてどの程度であるかを、試験成形品を切断等により把握し、それに基づいて設定すればよいのは上記したとおりである。小径穴部２１ｅの打ち抜きにおいて、発生する内部傷Ｋをできるだけ多く含んで、打ち抜き屑として打ち抜き除去（同時打ち抜き）できるように、ダボ１２５ｄの外径（寸法）Ｄ１を設定すればよい。

なお、本例では、打ち抜きパンチ１２０ｅにおけるその後方寄り部位の軸部１２５ｅが、打ち抜き過程で、大径穴部２５ｄの内周面にてガイドされる設定（外径）とされているため、偏心もなく精度よく安定した打ち抜きができる。また、Ｄ２＞Ｄ１の寸法関係としているものの、その打ち抜きパンチ１２０ｅには、その先端面と、そのパンチの後方側面との間で連通する潤滑油抜きの穴Ｈが設けられているため、そのパンチ１２０ｅの先端面がダボによる凹み２８ｄを閉塞することを防止できる。これにより、凹み２８ｄ内の潤滑剤を連通穴Ｈを介して後方に排出させることができるので、潤滑剤の閉じ込めによる成形面の肌荒れ防止が図られる。

ところで、本例の異径筒状体１０ｅは、その先方の筒状部１１ｅの先端寄り部位に、相対的に外径が小さい小径筒部（小径部）１２ｅを備えており、大径穴部２５ｄの成形過程で、この小径筒部（小径部）１２ｅをなすべき小径部位が、をダイス１００ｄにおける先方の小さい円形穴１０６ｄに通して押し出し成形される。このため、深穴あけパンチ１２０ｄの押し込み（第４工程）においては、偏心等もなく安定した成形を得るため、その押し込み過程で、次のように変化が進むように、ダボ１２５ｄの外径Ｄ１を設定するのがよい。すなわち、この押し込みにより、その当初は深穴あけパンチ１２０ｄの先端面におけるダボ１２５ｄが、第３工程成形体１０ｃの予備穴２５ｃの底面２７ｃに押し付けられ、比較的小さい荷重（プレス荷重）によって、その底面２７ｃを先方に押し、第３工程成形体における多角形部１５の先端向き面がダイス１００ｄにおける、その先端向き面を支持すべき後方向き環状多角形面１１５ｄにて支持される状態となるようにし、それに続いてダボ１２５ｄが予備穴２５ｃの底面２７ｃを凹ますように押し、先方に小径筒部（小径部）１２ｅをなすべき小径部位が、円形穴１０６ｄ内に押し出され、その後で、実質的な深穴加工による大径穴部２５ｄが後方押し出しにより成形されるようにするのがよい。

ここで、ダボ１２５ｄが予備穴２５ｃの底面２７ｃに押し込まれ、深穴あけパンチ１２０ｄの先端面が予備穴２５ｃの底面２７ｃ全体に押し付けられるまでの荷重をＬ１とする。その後、その押し込みが進むにつれて荷重が増大し、先方の小径筒部（小径部）１２ｅをなすべき小径部位が先方押し出されて成形されるまでの荷重をＬ２とする。次いで、さらにパンチ１２０ｄが押し込まれて深穴あけが進むにつれて後方押し出し（伸長）されて大径穴部２５ｄの成形（深穴あけ）が終わるまでの荷重をＬ３とする。この場合においては、ダボ１２５ｄの外径Ｄ１を、小径穴部２１ｅの内径Ｄ２より小さくすることに加えて、これらの荷重に、Ｌ１＜Ｌ２、及び Ｌ１＜Ｌ３で、Ｌ２≦Ｌ３の関係が保持されるようにするのがよい。

なお、上記形態では、出発材料から５の工程を経ることで異径筒状体１０ｅを成形する場合で、かつ、その第３工程において予備穴２５ｃをあけてなる第３工程成形体１０ｃとし、これに対して第４工程において深穴あけし、そして、第５工程で打ち抜く場合で説明したが、本発明において異径筒状体の成形に至るまでの工程数は、異径筒状体の具体的な縦横（高さ、径、肉厚等）寸法比や成形難度（又は金属材料の変形容易性）に応じて、適宜の数に設定すればよい。また、異径筒状体（センサやスパークプラグ用の主体金具の機械加工前の素材）の形状、構造は、上記例におけるものに限定されるものではなく、加工箇所、加工取り代等に応じ、異径状態等は、適宜に変更した形状、構造のものとして具体化すればよい。

１０ｅ 異径筒状体
２１ｅ 小径穴部
２４ｅ 後方向き環状棚面
２４ｄ 後方向き環状棚面をなすべき環状面
２５ｅ 大径穴部
２５ｃ 大径穴部の予備穴
２５ｄ 大径穴部
２７ｄ 大径穴部の底面
２８ｄ ダボによる凹み
１２０ｄ 深穴あけパンチ
１２４ｄ 深穴あけパンチの先端面の外周寄り部位の環状傾斜面
１２５ｄ ダボ
１２０ｅ 打ち抜きパンチ
Ｄ１ ダボの外径
Ｄ２ 小径穴部の内径

Claims (3)

1. 先端から後方に、内径が小径の小径穴部と、内径が相対的に大径の大径穴部とを同軸で有し、しかも、その両穴部の先後の境界に、先すぼまり状をなす後方向き環状棚面を有して軸線方向に貫通する構造を有する異径筒状体の冷間鍛造による製造方法であって、
   柱状の出発材料から、１又は複数の成形工程を経て、後端面に前記大径穴部の予備穴を成形し、
   その後、該予備穴を深穴あけパンチの押し込みにより深穴あけ加工することで前記大径穴部を成形するのに、
   パンチ自身の先端面の外周寄り部位に、前記異径筒状体における前記後方向き環状棚面を成形するように中央に向けて傾斜する環状傾斜面を備えると共に、該環状傾斜面を介し、該先端面の中心には所定の外径で先方に突出するダボを同軸で備えた深穴あけパンチを用いることにより、自身の底面に、前記後方向き環状棚面をなすべき環状面と、該環状面の内側に前記ダボによる凹みとを有する大径穴部を成形し、
   その後、打ち抜きパンチの打ち込みにより、該大径穴部の底面を、前記後方向き環状棚面を残存させるように打ち抜くことによって、該後方向き環状棚面と前記小径穴部とを成形する工程を含む、異径筒状体の冷間鍛造による製造方法において、
   前記深穴あけパンチにおける前記ダボの外径Ｄ１を、前記小径穴部の内径Ｄ２より小さくしておくことを特徴とする、異径筒状体の冷間鍛造による製造方法。
2. 前記打ち抜きパンチの打ち込みにおいて、該打ち抜きパンチの外周面を、前記深穴あけパンチによって深穴あけされた前記大径穴部の内周面にてガイドさせることを特徴とする請求項１に記載の異径筒状体の冷間鍛造による製造方法。
3. 前記打ち抜きパンチにおける先端面が前記ダボによる凹みを閉塞しないように、該打ち抜きパンチにおける先端面と後方部位とが連通する連通穴が、該打ち抜きパンチ内に設けられていることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の異径筒状体の冷間鍛造による製造方法。

Images